Chemie und Prozesstechnik
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Leitungswasserschäden nahmen im Jahr 2016 mit rund 2,6 Milliarden Euro den größten Posten bei Gebäudeversicherungen ein. Die Bestimmung und Lokalisierung des Schadensausmaßes ist dabei ein erster wichtiger Schritt, um die erforderlichen Sanierungsarbeiten abschätzen und effizient vornehmen zu können. Hierfür sind Radar und Neutronensonden bereits etablierte Verfahren. Für verlässliche Aussagen zum quantitativen Feuchtegehalt eines Baustoffes werden jedoch zerstörende Sondierungsbohrungen zur Kalibrierung der aufgenommenen Daten benötigt. Dieser hohe zeitliche und finanzielle Aufwand soll zukünftig durch den parallelen Einsatz der genannten Messverfahren verhindert werden.
In der durchgeführten Studie wurden Estrichprobekörper auf Zement- und Anhydritbasis mit variablen Dicken und Festigkeiten hergestellt und deren Austrocknung mit Radar und Neutronensonde über einen Zeitraum von 90 Tagen beobachtet. Als Referenzverfahren zur Ermittlung des Feuchteverlaufs dienten die gravimetrische Darr- und chemische Calcium-Carbid-Methode, welche an kleineren Schwesterproben der gleichen Charge angewendet wurden. Kontinuierliche Wägungen der größeren Probekörper gaben hierbei Aufschluss über den durch Austrocknung schwindende Wasseranteil.
Aus dem aufgenommen Radardatensatz konnten anschließend markante Signalmerkmale im Zeit- und Frequenzbereich extrahiert und deren Zusammenhang zum Feuchtegehalt der Estrichtypen untersucht werden. Hierbei wurden gängige Methoden aus der Literatur zur Feuchtemessung mit Radar angewandt, wobei die Kombination dieser und das Hinzuziehen der Neutronensonde mittels Datenfusion zu einem höheren Informationsgehalt beiträgt. Somit kann eine zerstörungsfreie Quantifizierung des Feuchteschadens an schwimmenden Fußbodenaufbauten vorgenommen werden
Zahlreiche Schädigungsprozesse in Baustoffen stehen im engen Zusammenhang mit Feuchteeintrag und Feuchtetransport. Als Beispiel sind die schädigende Alkali-Kieselsäurereaktion (AKR) von Beton sowie Frost-Tauwechsel induzierte Gefügeschäden genannt. Zur zerstörungsfreien, ortsaufgelösten Feuchtemessung eignet sich die im Bereich der Geophysik etablierte, aber im Bauingenieurwesen noch wenig verbreitete, Messmethode der Nuklear Magnetischen Resonanz (NMR). Unter Verwendung der NMR-Relaxometrie sind sowohl Aussagen zum Feuchtegehalt und dessen räumliche Verteilung als auch die Charakterisierung der Porengrößen möglich, die das Transportverhalten eines porösen Materials maßgeblich beeinflussen.
Zur Erfassung der Mikro- und Mesoporen in Baustoffen ist dabei die Auflösung von kurzen T2 Relaxationszeiten unabdingbar. Bisher ist es mit gängigen NMR-Laborgeräten nur begrenzt möglich, solche kurzen T2-Zeiten schichtselektiv zu erfassen. Vor diesem Hintergrund wurde ein speziell für die Messung an mineralischen Baustoffen optimierter NMR-Tomograph beschafft. Dieser ermöglicht sowohl schichtselektive Messungen von Bohrkernen mit Durchmessern von bis zu 70 mm als auch bildgebende Untersuchungen an Proben mit Durchmessern ≤ 40 mm.
Erste Untersuchungsergebnisse an Sandstein, Tuffstein und Beton zeigen die Leistungsfähigkeit des neuen NMR-Tomographen zur Erfassung der porengrößenspezifischen Feuchteverteilung. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse verschiedenartiger Laborversuche exemplarisch dargestellt.
Für Sandsteine mit unterschiedlichsten Porengrößenverteilungen wurden mit dem neuen NMR-Tomographen und einem herkömmlichen NMR-System vergleichbare T2 Zeitenverteilungen ermittelt. Am sehr heterogenen Tuffstein konnten unterschiedlich poröse (und feuchte) Bereiche räumlich aufgelöst werden. Im Beton ließ sich der Feuchtetransport im Zementstein porengrößenspezifisch, schichtselektiv und zeitlich aufgelöst verfolgen.
Die bisher gewonnenen Ergebnisse zeigen das breite Anwendungsspektrum des neuen NMR Tomographen auf und ermöglichen ein besseres Verständnis des Feuchtetransports und der oft damit einhergehenden Schädigungsprozesse in Baustoffen.
The presented work discusses the accuracy of Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) in determining the total chloride content in cement pastes. LIBS as an emission spectroscopy method is used to detect simultaneously several elements present in cement-based materials. By scanning surfaces the variability in the spatial distribution of elements can be visualised. However, for a quantification of the results, studies are necessary to characterise possible influences due to the wide variation of the chemical compositions in which cement can occur. It is shown how the calibration can be done, how the calibration samples were produced, and which statistical parameters are necessary to describe the precision of the regression. The performance of LIBS is estimated by detecting chloride in validation samples. Therefore, 55 samples and 7 ets with changing mix ompositions were produced. The presented study deals with possible influences of different mix compositions, ncluding different cations of chloride, varying w/c-ratios and the artial replacement of Portland cement with last furnace slag (50% BFS) and limestone (30% LS). Comparing the LIBS results with otentiometric titration, n accuracy of±0.05 wt%/total has been determined.
The determination of chloride is still one of the main tasks for the evaluation of reinforced concrete structures.
The corrosion of the reinforcement induced by the penetrating chlorides is the dominant damage process affecting the lifetime of concrete structures. In the recent years different research groups demonstrated that LIBS can be a fast and reliable method to quantify chlorine in cement-bound materials. Because chlorine in concrete can only occur as solved ions in the pore solution or bound in salts or hydrated cement phases, the detected emission of chlorine can be correlated with the chloride concentration determined e.g. with potentiometric titration. This work inter alia describes the production of reference samples and possible side effects during the production process. Due to transport processes in the porous matrix of the cement a misinterpretation of the concentrations is possible. It is shown how to overcome these effects and higher precisions of the single measurements can be realised. Using the calibration method, blank sample method and noise method, three different ways of calculating the limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) are compared. Due to the preparation of the reference samples a precision of the whole calibration model of sx0 = 0.023 wt% is determined.
The validation of the model is based on different test sets, which are varying in their composition
(different Cl-salts, water-to-cement ratios and additives). The determined mean error of the validation is
0.595 ± 0.063 wt%, which is comparable to standardised methods like potentiometric titration, direct potentiometry
or photometry (0.40 ± 0.06 wt%) [1].
Four cement-based and four calcium-sulphate-based screed types are investigated. The samples have a diameter of 300 mm and a height of 35 or 70 mm. Up to ten humidity sensors are embedded directly during the concreting of the screed samples. Thus, the humidity over the sample height is monitored during hardening, hydration, evaporation, and oven drying. Furthermore, the screed samples are weighed during every measurement to determine the total mass and the corresponding moisture loss.
To define the pore system precisely, mercury intrusion porosimetry as well as gas adsorption is performed. According to the data, the entire pore volume distribution is known. The measured pore diameters range from 0.8 nm to 100 µm and the total porosity of the examined screeds ranges between 11% and 22%.
Based on these measurement data, moisture transport, pore saturation as well as sorption isotherms and their hysteresis may be calculated quantitatively as described in “Monitoring of the absolute water content in porous materials based on embedded humidity sensors” (Strangfeld and Kruschwitz, 1921).
Monitoring of the absolute water content in porous materials based on embedded humidity sensors
(2018)
Moisture transport monitoring may indicate the onset of deterioration in porous building materials Prior to damage occurring. Most moisture measurement systems provide only qualitative values, require extensive calibration, or are destructive. Thus, non-destructive and calibration-free monitoring Systems are required. Our approach of moisture monitoring is to embed sensors that measure the relative humidity.
In our experiment, screed samples are monitored during the Hydration and evaporation process. Every test sample is equipped with 10 embedded sensors which measure the relative humidity across the sample thickness. Based on Hillerborg’s approach, the relative humidity is converted into the corresponding pore saturation. In our study, the free water is computed without knowledge of the Sorption isotherm. The free water in the pore system is predicted and validated. The predicted weight decrease corresponds conclusively to gravimetrically measured weights. The embedded sensors yield the absolute liquid water content and enable an experimental, non-destructive monitoring of liquid water in porous materials.
Four cement-based and four calcium-sulphate-based screed types are investigated. The samples have a diameter of 300 mm and a height of 35 or 70 mm. Up to ten humidity sensors are embedded directly during the concreting of the screed samples. Thus, the humidity over the sample height is monitored during hardening, hydration, evaporation, and oven drying. Furthermore, the screed samples are weighted during every measurement to determine the total mass and the corresponding moisture loss.
To define the pore system precisely, mercury intrusion porosimetry as well as gas adsorption is performed. According to the data, the entire pore volume distribution is known. The measured pore diameters range from 0.8 nm to 100 μm and the total porosity of the examined screeds ranges between 11 % and 22 %.
Based on these measurement data, moisture transport, pore saturation as well as sorption isotherms and their hysteresis may be calculated quantitatively as described by Strangfeld et al.